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Kombinationsflugschrauber mit einem am Heck angeordneten Rotor Die
Erfindung betrifft einen Kombinationsflugschrauber mit einem am Heck angeordneten
Rotor, dessen Drehachse parallel zur Flugzeuglängsachse liegt und dessen Schubkraft
durch kollektive Blattwinkelverstellung veränderbar ist.
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Es sind Kombinationsflugschrauber bekannt, bei denen im Heck eine
ummantelte Luftschraube vorgesehen ist, deren Drehachse parallel zur Flugzeuglängsachse
liegt und die den erforderlichen Vortrieb liefert. Die Heckschraube ist fest angeordnet,
jedoch sind für Zwecke der Steuerung bzw. des Drehmomentenausgleiches besondere
Leitflächen in bzw. hinter der Luftschraubenummantelung vorgesehen.
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Bei diesem bekannten Kombinationsflugschrauber erfolgt die Giersteuerung
im Schnellflug durch ein Ruder, das hinter der Luftschraubenummantelung angeordnet
ist. Um im Schwebeflug den Drehmomentenausgleich durchführen zu können, wird durch
eine besondere Umschalteinrichtung das Ruder extrem weit, z. B. 70°, ausgeschlagen
und in dieser Lage fixiert. Auf diese Weise wird der Luftschraubenstrahl umgelenkt.
Hierzu muß das Ruder sehr groß ausgebildet sein. Bei dieser Einstellung für den
Schwebeflug wird die kollektive Blattwinkelverstellung des Heckrotors beeinflußt,
so daß die Schubkraft des Heckrotors erhöht oder vermindert werden kann. Auf diese
Weise ist der Drehmomentenausgleich möglich. Andererseits wird durch die erwähnte
Umschalteinrichtung im Schnellflug sichergestellt, daß die Blattwinkeleinstellung
des Rotors unverändert bleibt und nur das Ruder zur Giersteuerung bewegt wird.
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Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß das Ruder sehr groß
ausgebildet sein muß, um während des Schwebefluges die Luftschraubenstrahlumlenkung
durchzuführen. Dadurch wird das Ruder auch gewichtsmäßig sehr schwer, was sich im
Schnellflug nachteilig bemerkbar macht, da immer die großen Rudermassen bewegt werden
müssen. Außerdem ist im Schnellflug der Wirkungsgrad einer Mantelschraube nicht
günstig. Auch im Schwebeflug ist eine solche Art der Steuerung mit Luftschraubenstrahlumlenkung
wegen der damit verbundenen Verluste wenig wirksam.
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Eine andere bekannte Möglichkeit sieht ebenfalls im Heck eines Hubschraubers
eine ummantelte Luftschraube vor. Hierbei ist die gesamte Luftschraube mit Ummantelung
derart verschwenkbar, daß die Drehachse der Luftschraube wahlweise parallel zur
Flugzeuglängsachse oder quer dazu einstellbar ist.
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Diese bekannte Anordnung einer schwenkbaren Heckschraube erfordert
zwei Winkelgetriebe im Heck und benötigt eine komplizierte Steuerungseinrichtung,
da besondere Maßnahmen für die Steuerung vorgesehen werden müssen, denn für eine
im Schwebeflug querliegende Rotordrehachse gelten völlig andere Bedingungen für
die Blattwinkelverstellung als für eine im Schnellflug parallel zur Flugzeuglängsachse
liegende Drehachse. Ferner sind die Winkelgetriebe allein schon wegen ihres Gewichtes
sehr nachteilig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schnellfliegenden
Kombinationsflugschrauber zu schaffen, der mit einem im Heck angeordneten Rotorsystem
sowohl Vortrieb erzeugt als auch die Giersteuerung bzw. den Drehmomentenausgleich
durchführt, der aber die Nachteile der bekannten Einrichtungen, nämlich schwere
Schwenk- oder Winkelgetriebe und komplizierte Steuerungseinrichtungen nicht aufweist.
Darüber hinaus sollen übermäßig große Ruder und die damit verbundene unerwünschte
Gewichtsvermehrung vermieden werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß
die Giersteuerung und der Drehmomentenausgleich durch zyklische Blattwinkelverstellung
erfolgt. Durch die kollektive Blattwinkelverstellung wird in üblicher Weise die
Schubkraft beeinflußt. Durch die zyklische Blattwinkelverstellung wird eine Schlagbewegung
der Heckrotorblätter verursacht. Dadurch erfährt die Schubresultierende, die etwa
senkrecht zur Blattspitzenebene steht, eine Neigung. Man kann daher durch eine entsprechende
zyklische Blattwinkelverstellung im Schwebeflug und Langsamflug eine Neigung der
Schubresultierenden und somit eine seitliche Schubkomponente erzeugen und diese
Seitenschubkomponente für den Drehmomentenausgleich und die Giersteuerung heranziehen.
Diese Schubvektorsteuerung ließe sich zwar ebenso für die gesamte Steuerung des
Kombinationsflugschraubers verwenden, besondere
Bedeutung kommt
ihr jedoch für die Giersteuerung und den Drehmomentenausgleich zu.
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In Weiterbildung der Erfindung wird für die Blattwinkelverstellung
des Heckrotors eine Taumelscheibe verwendet, wobei die zyklische Blattwinkelverstellung
nur einen Freiheitsgrad besitzt.
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Da für die Schubvektorsteuerung beim Drehmomentenausgleich eine verhältnismäßig
große Winkeländerung des Schubvektors erforderlich ist, müssen die durch die zyklische
Blattwinkelverstellung auftretenden Schlagbewegungen eine verhältnismäßig große
Amplitude aufweisen. Die Schlagamplitude beträgt dabei ein Mehrfaches der sonst
bei Hubschrauberrotoren üblichen Schlagwinkelamplituden. Bei einem Heckrotor, der
mit den üblichen Schlaggelenken versehen ist, treten aber bei derart großen Schlagamplituden
Corioliskräfte auf, die in den Rotorblättern hohe Schwenkbiegemomente erzeugen.
Es Müßten daher zusätzlich noch Schwenkgelenke vorgesehen werden. Die Verwendung
von Schwenkgelenken bringt aber in gewissem Umfang wieder die Gefahr mechanischer
Instabilität mit sich und erfordert unter Umständen eine Dämpfung der Schwenkbewegung.
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Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, erfolgt daher gemäß weiterer
Ausbildung der Erfindung der Antrieb des Heckrotors über ein bekanntes Gleichlaufgelenk.
Das zentrale Gleichlaufgelenk ergibt einen halbstarren Heckrotor mit zentralem Schlaggelenk
und überträgt neben dem Drehmoment auch den Rotorschub. Der Vorteil dieser Ausbildung
mit Gleichlaufgelenk liegt darin, daß die Vielzahl der herkömmlichen Schlag- und
Schwenkgelenke für jedes Rotorblatt sich völlig erübrigt und daß die Gelenke nicht
mehr wie bisher in einem gewissen Abstand von der Rotorachse angeordnet sind, sondern
daß jetzt der Gelenkmittelpunkt genau im Drehzentrum liegt. Auch sehr große Schlagwinkel
können ohne Schwierigkeiten zugelassen werden und in jedem Fall bleibt die Umlaufgeschwindigkeit
der Rotorflügel stets konstant, es ist also ein völliger Gleichlauf immer gewährleistet.
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Das vom Heckrotor auszugleichende, vom Hauptrotor eingeführte Drehmoment
hängt von der Leistungsaufnahme des Hauptrotors ab. Diese wird bekanntlich durch
die kollektive Blattwinkeleinstellung des Hauptrotors gesteuert. Die Rotorleistung
ist im ganzen Flugbereich etwa dem kollektiven Einstellwinkel am Hauptrotor proportional
und erreicht im Autorotationszustand des Hauptrotors den Wert Null, wenn auch dieser
seinen geringsten Blattwinkel aufweist. Da in diesem Zustand der Autorotation kein
Momentenausgleich mehr notwendig ist, ist nur noch eine ganz geringe Schubresultierende
am Heckrotor erforderlich. Es ist daher gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung,
wie es bereits bekannt ist, die kollektive Blattwinkelverstellung des Heckrotors
mit der kollektiven Blattwinkelverstellung des Hauptrotors gekoppelt, wobei der
Heckrotor zusätzlich auch unabhängig von der Blattwinkelverstellung des Haupt- i
rotors, z. B. über einen Mischhebel, willkürlich beeinflußbar ist.
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Das Triebwerk hält im Schwebeflug und Vorwärtsflug seine Drehzahl
konstant. Je nach der augenblicklichen kollektiven Blattwinkeleinstellung und der
i Vorwärtsgeschwindigkeit und der Fluglage verändert sich die Aufteilung der gesamten
Triebwerksleistung auf den Hauptrotor und den Heckrotor. Wie hinsichtlieh des. Auftriebes
im Schnellflug der Hauptrotor entlastet ist und nur noch einen Teil des Auftriebes
liefert, so wird auch der Vortrieb zwischen Hauptrotor und Heckrotor aufgeteilt.
Der große Vorteil der Anordnung besteht darin, daß hierbei kein Eingriff in das
Hauptgetriebe erforderlich ist.
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Die Vorteile der Erfindung liegen besonders darin, daß für den Heckrotor
keine besonderen Getriebe für Umlenkung oder Drehung benötigt werden. Für die Heckrotorsteuerung
können die bekannten auf die zyklische und allgemeine Blattwinkelverstellung wirkenden
Einrichtungen, wie Spinne oder Taumelscheibe, verwendet werden. Dabei sind die Verstellkräfte
für diese Steuereinrichtungen sehr gering und der Heckrotor reagiert außerordentlich
schnell auf jede zyklische Blattwinkelverstellungsänderung. Die Trennung der Steuerfunktionen
im Heckrotor ist sehr einfach und übersichtlich. Da stets auch eine nach vorn gerichtete
Schubkomponente vorhanden ist, muß die Schubresultierende des Hauptrotors etwas
nach hinten geneigt sein, um im Schwebeflug den Schub des Heckrotors ausgleichen
zu können. Zwar ist im Schwebeflug nur ein Teil des Heckrotorschubes, nämlich seine
Seitenkomponente, für den Drehmomentenausgleich verwendbar, jedoch stellt dies insofern
keinen Nachteil dar, als der Heckrotor ja für die Vortriebserzeugung im Schnellflug
dient und an sich schon eine höhere Leistung deswegen installiert werden muß, so
daß die Schubkraft der Seitenkomponente durchaus für den Drehmomentenausgleich ausreichend
ist.
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An Hand der Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine Übersicht der Anordnung in einem Kombinationsflugschrauber;
F i g. 2 stellt das Prinzip der Heckrotorsteuerung dar; F i g. 3 a und 3 b zeigen
schematisch die Schlagbewegung der Heckrotorblätter; F i g. 4 zeigt den Rotorkopf
für den Heckrotor in einer Ansicht quer zur Antriebswelle, wobei Teile gemäß Schnittlinie
A-B der F i g. 5 im Schnitt dargestellt sind, und F i g. 5 zeigt den Rotorkopf für
den Heckrotor in Drehachsenrichtung von hinten gesehen.
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In F i g. 1 ist die Anordnung des Heckrotors und sein Anschluß an
die Antriebsanlage in einem Hubschrauber schematisch dargestellt. Im Rumpf 1 ist
ein Triebwerk 2 untergebracht. An das Triebwerk 2 ist ein Getriebe 3 angeschlossen,
über das der Hauptrotor 4 mechanisch angetrieben wird. Außerdem führt vom Getriebe
3 eine Abzweigung über die Welle 5 zum Heckrotor 6. Der Flugschrauber trägt ferner
noch Flügelstummel ? zur Entlastung des Hauptrotors 4 im Schnellflug. Die Höhenflossen
8 liegen im Schwebeflug im Abwindstrahl des Hauptrotors 4, um, ausgehend vom Schwebeflug,
mit zunehmender Geschwindigkeit ein plötzliches Vertrimmen des Flugschraubers zu
vermeiden. Im Heck befindet sich ein Seitenleitwerk mit der festen nach unten weisenden
Flosse 10 und dem oben aufgesetzten Ruder 9. Die Flosse 10 trägt an ihrem
unteren Ende einen Sporn 11.
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An Hand der F i g. 2 ist nachfolgend die Wirkungsweise der Heckrotorsteuerung
beschrieben. Der Antrieb der beiden Rotorblätter 12 des Heckrotors 6 erfolgt mechanisch
über die Welle 5. Dem Heckrotor ist eine Taumelscheibe 13 zugeordnet. Mit ihrer
Hilfe
kann der Heckrotor nicht nur eine allgemeine Blattwinkelverstellung,
sondern auch eine zyklische Blattwinkelverstellung erfahren. Für die zyklische Blattwinkelverstellung,
die der Giersteuerung dient, werden üblicherweise die Pedale 16 vom Piloten verstellt.
Über ein Verbindungsgestänge 17, 18 und 19 wird die Taumelscheibe 13 um ein Gelenk
14 geneigt. Die Neigung der Taumelscheibe 13 wird über die Stoßstangen 15 auf die
Rotorblätter 12 übertragen.
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Die kollektive Blattwinkelverstellung für den Heckrotor erfolgt vom
Piloten über den Hebel 23 und das Gestänge 24, 25, 26. Hierbei wird die Taumelscheibe,
wie durch Pfeile angedeutet ist, in Längsrichtung der Drehachse des Heckrotors verschoben
und dadurch in üblicher Weise über die Stoßstangen 15 der Blatteinstellwinkel des
Heckrotors gleichsinnig verändert. Diese kollektive Blattwinkelverstellung des Heckrotors
ist mit der kollektiven Blattwinkelverstellung des Hauptrotors 4 gekoppelt. Dies
erfolgt durch die an den Hebel 23 angeschlossene Verbindung 44 zum
gestrichelt eingezeichneten Hauptrotor. Es ist daraus ersichtlich, daß bei minimalem
kollektivem Blattwinkel am Hauptrotor, also im Fall der Autorotation, auch am Heckrotor
der kollektive Blatteinstellwinkel seinen minimalsten Wert aufweist. Es ist jedoch
eine weitere Verstellmöglichkeit für den kollektiven Blattwinkel des Heckrotors
vorgesehen, die unabhängig vom kollektiven Blattwinkel des Hauptrotors wirksam werden
kann und über das als Misch- oder Differentialhebel ausgebildete Gestänge 25 auf
die Taumelscheibe 13 einwirkt. Auf dem Steuerknüppel 29 ist ein Schaltknopf 30 vorgesehen,
mit dem der Pilot über einen Stellmotor 28 den kollektiven Blattwinkel am Heckrotor
bedarfsweise verändern kann. Diese Möglichkeit dient vor allem der Schubsteuerung
im Schnellflug.
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In F i g. 3 a ist der Heckrotor dargestellt, dem durch die zyklische
Blattwinkelverstellung eine Schlagbewegung aufgedrückt wird, so daß sich die Blätter
12 um das Schlaggelenk 32 in die gestrichelt eingezeichnete Stellung 12' einstellen.
Durch diese Schlagbewegung erfährt der Schub eine Richtungsänderung, wie durch den
Pfeil S angedeutet ist. Bei der Verwendung von Schlaggelenken 32 treten aber
Schwierigkeiten auf, die den Einbau von Schwenkgelenken für die Rotorblätter
12 erforderlich machen würden. In F i g. 3 b sind diese besonderen Schwenkgelenke
vermieden. Der Heckrotor ist mit einem Gleichlaufgelenk G ausgerüstet.
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An Hand der F i g. 4 und 5 werden einige Einzelheiten über die Heckrotorsteuerung
und das verwendete Gleichlaufgelenk G beschrieben. Es ist hier z. B. ein dreiblättriger
Heckrotor angenommen. Die vom Hauptgetriebe 3 kommende Antriebswelle 5 endet in
einem kugeligen Teil 33. Auf der Antriebswelle 5 sitzt die Taumelscheibe 13, die
um das Gelenk 14, z. B. in die gestrichelt eingezeichnete Lage geschwenkt werden
kann. Von der Taumelscheibe führt die Stoßstange 15 zum Rotorkopf des Heckrotors
und wirkt dort über den Hebel 34 auf das jeweils zugeordnete Rotorblatt 12. Der
Hebel 34 umfaßt mit seinem einen Ende 35 halbkreisförmig einen Zapfen 37 im Fuß
des Rotorblattes und ist außerdem mit der Wurzel 42 des Rotorblattes durch Schrauben
oder Bolzen 36 verbunden. Das Rotorblatt bzw. seine Wurzel 42 ist durch ein
Lager 43 auf dem Zapfen 37 drehbar gelagert, so daß durch Verschieben des Armes
34 in die gestrichelt eingezeichnete Lage das Rotorblatt um den Zapfen 37 in eine
andere Einstellwinkellage gedreht wird.
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Die wesentlichen Teile des Gleichlaufgelenkes G sind aus der F i g.
4 ersichtlich und bestehen aus dem kugeligen Teil 33 der Antriebswelle 5 und dem
diesem Teil angepaßten Zapfen 37 am Fuß des Rotorblattes. In dem kugeligen Teil
33 der Welle 5 sind mehrere Nuten 39 und entsprechende Nuten 39' im Zapfen 37 des
Rotorfußes angeordnet. In die Nuten sind Kugeln 38 eingelegt. Das Drehmoment wird
von der Antriebswelle 5 durch die Kugeln 38 und die Nuten 39, 39' auf den Rotor
übertragen. Bei einer zyklischen Blattwinkelverstellung können die einzelnen Rotorblätter
um den kugeligen Teil 33 verschwenkt werden, wobei die Kugeln 38 in den Nuten 39
abrollen. Dadurch ist auch bei großen Schlagwinkeln eine ungestörte Schlagbewegung
und ein völlig gleichförmiges Umlaufen des Heckrotors möglich. Eine Abdeckplatte
40 ist durch Bolzen oder Schrauben 41 befestigt und schließt das Gleichlaufgelenk
G nach hinten ab.